基坑工程格构式钢立柱的快速三维设计方法及工程应用

基坑工程格构式钢立柱的快速三维设计方法及工程应用

周太震

上海金同济土木技术工程有限公司

摘要：格构式钢立柱在基坑围护设计中应用非常广泛，但是常规的验算方法是将格构式钢立柱作为偏心受压构件逐一设计，效率低下。本文针对中央金座二期项目，介绍了基坑围护工程的设计方案，通过该项目总结了将钢立柱作为轴心受压构件设计验算的方法，并对常用规格进行了“产品化”的归纳总结，从而通过快速查表获取满足受力条件的格构式钢立柱的类型，再通过经验判断选取其中一个品种。利用Revit建立格构式钢立柱的参数化三维设计图库，从设计图库中调取所需钢立柱，并快速统计工程量，提高工作效率。

关键词：基坑工程；格构式钢立柱；快速设计；参数化

一、工程概况

（1）主体建筑

根据建筑规划总图的平面布局，拟建的“中央金座Ⅱ期”规划总用地面积24296m2，总建筑面积为约17945m2，其中地上建筑面积约70652m2，地下建筑面积约37292m2。地上由2幢15层的写字楼和5层的裙楼组成，通设2层地下室。

地下室部分为框架结构体系，基础形式为桩基础。

（2）基坑概况

本工程通设二层地下车库，±0.00相当于国家高程1889.60m，场地标高约为0.00（相对标高），底板面标高-10.00，坑底标高-11.30，基坑面积约为15000m2，基坑开挖深度为11.3m。

基坑工程设计安全等级为一级。

（3）周边环境

本工程位于滇池路与广福路交叉路口的西北地块。根据业主提供资料和现场踏勘，周边环境条件如下：

东侧：基坑边线距离用地红线约5m，红线外10m为已建成的中央金座Ⅰ期；

南侧：基坑边线距离用地红线约19m，红线外为滇池路；

西侧：基坑边线距离用地红线约5m，红线外为广福路；

北侧：基坑边线距离用地红线约5m，红线外5m为隆居花园小区，距离红线最近约2m；

详见周边环境示意图。业主同意在是施工前进行详细的周边建筑及环境调查。

图1-1周边环境示意图

（4）地层参数

表1-1基坑支护设计土层参数

注：c、φ值为勘察报告建议经验取值。

二、基坑支护结构方案简介

根据本工程的基坑深度、地质条件等，综合考虑安全性和经济性要求，设计采用顺作法板式支护体系。设计采用钻孔灌注桩+素混凝土咬合桩止水+二道混凝土支撑+格构钢立柱的支护体系。

2.1水平支撑

混凝土内支撑体系形式为双圆环+对撑。

第一道支撑中心标高为-2.000，主环截面为1800×800mm，支撑截面为700×700mm，围檩截面为1100×800mm，支撑间距约10m。

第二道支撑中心标高为-7.300，主环截面为1900×800mm，支撑截面为800×800mm，围檩截面为1300×800mm，支撑间距约10m。

支撑系统临时钢立柱采用4根L140×14角钢为主肢的格构柱，立柱间距约12m，截面为500mm×500mm。钢立柱下设置钻孔灌注桩（立柱桩），直径800mm，立柱桩长度为16m，桩顶标高为坑底标高，桩端持力层位于7#土层。立柱桩采用全笼配筋。格构柱插入立柱灌注桩，插入深度2.5m。钢格构立柱在穿越底板的范围内需要设置止水片。

2.2施工栈桥

为了方便土方开挖和材料的运输，考虑在基坑中间搭设一座宽10m的施工栈桥，为挖土施工创造有利条件。栈桥考虑均布荷载35kN/m2，或集中荷载800kN，适合60t挖土卡车开行。栈桥主梁900×1200mm，次梁800×1000mm，栈桥面板厚度300mm。栈桥下立柱间距6~7m。钢立柱采用4根L140×14角钢为主肢的格构柱，截面为550mm×550mm，钢立柱下设置钻孔灌注桩（立柱桩），立柱桩长度18m，直径900mm。桩顶标高为坑底标高，桩端持力层位于9#土层，立柱桩全笼配筋。格构柱插入灌注桩3.0m。

三、立柱快速设计法

本节提供了一种立柱的快速设计方法。

3.1适用范围

基坑工程钢立柱（四角钢加缀板形成的格构式立柱）。

3.2设计原理

规范中的立柱设计的方法是按照偏心受压杆件验算的。偏心荷载存在着工程各异性，不利于归纳总结进行快速设计，只能针对实际工程进行验算。本节提供一种快速立柱设计方法：按照轴心受压构件设计验算[1]，并将常用规格立柱的承载力列表以供查用。如遇实际工程存在特殊偏心荷载，只需另做附加验算。

轴向力按下式取用

3.3表格汇总

3.4表格说明

（1）表格中计算承载力均按照Q235钢材设计。由于轴心受压的格构柱整体稳定性起控制作用，宜选用低强度钢材。

（5）若实际工程对格构柱的换算长细比有限制，可改变缀板间距。一般地，缀板间距由当前800mm减小为600mm，长细比可减小3~5。

四、基于Revit的参数化设计图库应用

4.1格构式钢立柱的参数化三维设计图库构建

本节利用Revit三维设计软件建立格构式钢立柱的参数化设计图库。参数化设计的模型可以通过逻辑关系自动修改，改变其中任意数据即可形成一个新的实例。本文创建的参数化族库是带有计算信息的“结构柱”，下图即为缀板式格构柱的参数化模型及参数。其中角钢可以任意调用钢柱库中L型钢。

4.2设计图库调用

通过第三节立柱的快速设计方法，计算出钢立柱的截面尺寸，然后进入revit建立的钢立柱设计图库，如原图库中已有的类型则可以直接调用。如新建类型，则首先在设计图库中新增一个类型，只需要简单设置缀板的高、宽、厚，选择角钢类型，输入格构柱组合截面的长、宽即可生成所需要的钢立柱，载入项目使用。

五、立柱快速设计方法的工程应用

本工程立柱设计应用上述方法如下。

六、结论

本文提出的格构式钢立柱快速设计方法是在调研总结各种格构式立柱的设计理论后提出的。常规方法试立柱为偏心构件，计算复杂，效率低下。本文运用该快速设计方法，对基坑工程普遍使用规格的立柱承载力等特性进行计算并将其汇总为表格，以方便查用。具有较高的工程设计实用价值。本文还提供了利用Revit三维设计软件建立格构式钢立柱的参数化设计图库，在计算选定立柱截面后，进入图库调取或是通过简单的参数设定即可获取图库中本没有的格构式钢立柱三维模型。

在中央金座基坑工程设计中，运用本文提出的快速设计方法进行格构式钢立柱设计，并运用Revit建立的参数化族库进行格构式钢的布局，并快速统计工程量。实践证明其能够满足一般设计要求，提高了工作效率。